邱曉磊

（1. 河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450000）

地籍測(cè)量是國(guó)家民生建設(shè)中的重點(diǎn)工作之一，目的是獲取詳細(xì)地籍信息以方便開(kāi)展國(guó)土資源管理工作，促進(jìn)土地資源的合理規(guī)劃和利用。地籍測(cè)量包括空間位置、界址范圍、權(quán)屬、面積等，其中面積測(cè)量是重點(diǎn)項(xiàng)目。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市范圍不斷擴(kuò)張，城市慢慢與周?chē)霓r(nóng)村接軌，出現(xiàn)了很多城鄉(xiāng)結(jié)合部[1]。城鄉(xiāng)結(jié)合部管理一般較為混亂，為合理利用這部分農(nóng)村土地資源，促進(jìn)城鄉(xiāng)合理發(fā)展，需對(duì)農(nóng)村宅基地面積進(jìn)行測(cè)量。農(nóng)村宅基地面積測(cè)量方法主要分為3 種：①手動(dòng)測(cè)量，該方法準(zhǔn)確度較高，但人力、物力成本較高，且若測(cè)量范圍較大、效率較低；②通過(guò)全野外數(shù)字測(cè)圖方法測(cè)量，通過(guò)電子全站儀在野外進(jìn)行數(shù)字地形測(cè)量數(shù)據(jù)采集，再傳輸?shù)绞覂?nèi)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量，該方法存在點(diǎn)位精度不均勻、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率較低、作業(yè)實(shí)施困難等問(wèn)題；③通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量，從不同角度采集影像以保證影像的清晰度，再借助圖像處理方法進(jìn)行處理，識(shí)別目標(biāo)區(qū)域，完成面積測(cè)量，該方法能獲取地物完整、準(zhǔn)確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息，但冗余信息過(guò)多，若不能有效處理，則將導(dǎo)致目標(biāo)識(shí)別困難，降低面積測(cè)量的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將激光雷達(dá)掃描技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村宅基地面積測(cè)量中，以期為地籍測(cè)量工作提供參考，提高宅基地面積測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 農(nóng)村宅基地面積測(cè)量

農(nóng)村宅基地面積測(cè)量是地籍管理中的重要工作內(nèi)容。明確農(nóng)村宅基地面積能為城市規(guī)劃提供可靠依據(jù)，提升城市發(fā)展能力[2]?；谏鲜霰尘埃疚奶岢隽艘环N基于激光雷達(dá)掃描技術(shù)的農(nóng)村宅基地面積測(cè)量方法。

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

農(nóng)村宅基地面積測(cè)量的首要工作是數(shù)據(jù)采集。人工采集方式雖然準(zhǔn)確性高，但效率低，面對(duì)大量農(nóng)村宅基地，測(cè)量工作需耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間[3]。本文采用激光雷達(dá)掃描技術(shù)采集農(nóng)村宅基地目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)掃描技術(shù)是一種非接觸式遠(yuǎn)程采集方法，由激光雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)、接收器、定位系統(tǒng)、控制器和飛行載體等部分組成。首先將采集工作所需設(shè)備裝載到飛行載體（無(wú)人機(jī)等）上組成掃描系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)遵照指令飛行至目標(biāo)點(diǎn)；再利用激光雷達(dá)發(fā)送脈沖信號(hào)，信號(hào)到達(dá)目標(biāo)的瞬間會(huì)產(chǎn)生慢反射效應(yīng)，利用掃描系統(tǒng)的接收器采集反射回來(lái)的信號(hào)[4]；最后結(jié)合時(shí)間差，即可計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)到與激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)之間距離。

式中，D為農(nóng)村宅基地與激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)之間的距離；v為脈沖信號(hào)在空氣中的傳播速度；Δt為激光脈沖信號(hào)往返的時(shí)間差[5]。

在明確農(nóng)村宅基地與激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)之間的距離后，以掃描系統(tǒng)建立三維坐標(biāo)系，再結(jié)合系統(tǒng)的縱橫向掃描角度，得出農(nóng)村宅基地的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。

式中，X、Y、Z為農(nóng)村宅基地點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)；θ、?分別為激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的縱向、橫向掃描角度。

在采集過(guò)程中，為保證數(shù)據(jù)的全面性，需要注意的問(wèn)題為：

1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)需滿(mǎn)足4點(diǎn)要求：①選擇多旋翼無(wú)人機(jī)，以保證成像質(zhì)量和超低空飛行；②無(wú)人機(jī)巡航速度控制在0~13 m/s可調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足不同地形、地貌航攝要求；③無(wú)人機(jī)電池動(dòng)力續(xù)航時(shí)間在30 min以上，保證單架次可完成0.2 km2傾斜攝影；④無(wú)人機(jī)抗風(fēng)性要求6級(jí)風(fēng)保證飛行安全，4級(jí)風(fēng)以下影像成果質(zhì)量合格[7]。

2）激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)要求較高，最好選擇風(fēng)力小于3 級(jí)、氣流穩(wěn)定的天氣進(jìn)行采集作業(yè)[8]。

3）為使激光點(diǎn)云清晰反映房屋的主體和屋檐、陽(yáng)臺(tái)、檐廊等附屬物，便于內(nèi)業(yè)采集，在激光雷達(dá)工作頻率一定的條件下，可通過(guò)降低飛行高度、速度來(lái)提高點(diǎn)云密度，設(shè)計(jì)點(diǎn)云密度為100點(diǎn)/m2，優(yōu)于常規(guī)作業(yè)[9]。

4）為保證房屋側(cè)面有足夠點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋，航線設(shè)計(jì)采用井字形布設(shè)。

5）根據(jù)差分模式的不同，區(qū)別架設(shè)基站。通?；炯茉O(shè)在較開(kāi)闊、平整穩(wěn)定的無(wú)人機(jī)起飛場(chǎng)地，采用CORS 模式，通過(guò)PC 端鏈接基站W(wǎng)iFi，利用CORS-RTK技術(shù)獲取基站準(zhǔn)確坐標(biāo)[10]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，基于**2000 獨(dú)立坐標(biāo)系，借助軟件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具，對(duì)全部點(diǎn)云進(jìn)行高斯3°帶投影，生成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繪制點(diǎn)云圖像[11]。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

為能清楚辨認(rèn)點(diǎn)云圖像中的細(xì)小地物影像，需對(duì)點(diǎn)云圖像進(jìn)行預(yù)處理[12]。

1.2.1 點(diǎn)云濾波降噪

反射回來(lái)的脈沖信號(hào)中除所需的農(nóng)村宅基地信號(hào)外，還包括地面上的樹(shù)木、行人、車(chē)輛等地物信號(hào)，這類(lèi)點(diǎn)云為有序點(diǎn)云噪聲。由于本文只針對(duì)農(nóng)村宅基地面積測(cè)量進(jìn)行研究，因此需對(duì)有序點(diǎn)云去噪[13]。此外，由于受到采集設(shè)備本身影響，圖像中還包含散亂點(diǎn)云噪聲。本文采用不同方法對(duì)上述兩種噪聲點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云濾波降噪。

1）有序點(diǎn)云去噪。本文采用高斯濾波算法對(duì)有序點(diǎn)云進(jìn)行去噪，公式為：

式中，x、y、z為原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

2）散亂點(diǎn)云去噪。本文采用雙邊濾波算法對(duì)散亂點(diǎn)云進(jìn)行去噪，公式為：

式中，hi為原始數(shù)據(jù)；ψ為雙邊濾波權(quán)重因子；ni為單位法向量。

1.2.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)是指將多站掃描點(diǎn)云拼接到同一個(gè)坐標(biāo)系上[14]，具體步驟為：①選擇待匹配的兩個(gè)點(diǎn)云圖像，記為點(diǎn)云A和B；②在A中隨機(jī)選取若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，組成點(diǎn)集，記為ai?A；③在B中找出與ai對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，組成對(duì)應(yīng)最近點(diǎn)集，記為bi?B；④使得ai與bi的絕對(duì)差值達(dá)到最?。虎萸笕⌒D(zhuǎn)矩陣C和平移矩陣L，使得，m為最鄰近點(diǎn)對(duì)個(gè)數(shù)；⑥利用C和L對(duì)ai進(jìn)行處理，得到；⑦計(jì)算與bi之間的平均距離；⑧判斷平均距離是否小于設(shè)定的閾值，若小于則獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)集，否則重復(fù)上述操作；⑨通過(guò)最小二乘法迭代求解待匹配點(diǎn)云的最優(yōu)配準(zhǔn)參數(shù)，完成點(diǎn)云配準(zhǔn)。

1.3 農(nóng)村宅基地目標(biāo)識(shí)別

基于已預(yù)處理的圖像，識(shí)別點(diǎn)云圖像中的目標(biāo)，劃分農(nóng)村宅基地界址[15]，具體分為特征提取和目標(biāo)識(shí)別兩個(gè)部分。

1）特征提取。點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整地表達(dá)了目標(biāo)的外形屬性，具有一定的幾何屬性。基于此，本文進(jìn)行農(nóng)村宅基地特征提取，具體流程見(jiàn)圖1[16]。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取流程圖

2）目標(biāo)識(shí)別?；谔崛〉奶卣鼽c(diǎn)，通過(guò)與模型特征庫(kù)中的特征進(jìn)行匹配識(shí)別目標(biāo)[17]。特征匹配算法公式為：

式中，d(R,Q)為點(diǎn)云圖像中特征點(diǎn)與模型特征庫(kù)中特征點(diǎn)之間的距離；R為點(diǎn)云圖像特征點(diǎn)集合；Q為模型特征庫(kù)特征點(diǎn)集合；ri為R中第i個(gè)特征點(diǎn)；qi為Q中第i個(gè)特征點(diǎn)；n為特征點(diǎn)數(shù)量。

在模型庫(kù)中尋找到與Q最近和次近的兩個(gè)特征，然后計(jì)算這兩個(gè)特征之間的比值，當(dāng)該比值小于1時(shí)，認(rèn)為二者匹配。根據(jù)該匹配關(guān)系識(shí)別出對(duì)應(yīng)的目標(biāo)類(lèi)型[18]，再利用CASS軟件劃分目標(biāo)區(qū)界線，生成界址點(diǎn)，確定界址點(diǎn)坐標(biāo)。

1.4 農(nóng)村宅基地面積測(cè)量

基于目標(biāo)識(shí)別結(jié)果，按照界址劃分范圍，測(cè)量農(nóng)村宅基地面積。首先需對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化（圖2）[19]；再按照式（6）測(cè)量農(nóng)村宅基地面積。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)則網(wǎng)格化

式中，xi、yi為宅基地第i個(gè)界址點(diǎn)坐標(biāo)；n為界址點(diǎn)數(shù)量；G為規(guī)則網(wǎng)格單位面積；m為量測(cè)區(qū)域內(nèi)規(guī)則網(wǎng)格數(shù)量；K為比例尺[20]。

基于上述流程，即可完成整個(gè)農(nóng)村宅基地面積測(cè)量工作。

2 實(shí)例應(yīng)用測(cè)試

為測(cè)試基于激光雷達(dá)掃描技術(shù)的測(cè)量方法在農(nóng)村宅基地面積測(cè)量中的應(yīng)用效果，以某地區(qū)為例，進(jìn)行算例分析與測(cè)試。以河南省最東部的某地區(qū)為例（圖3），進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。該地區(qū)圍繞城區(qū)，有很多農(nóng)村。隨著城市的建設(shè)與發(fā)展，城市用地逐漸向外擴(kuò)展。為合理規(guī)劃農(nóng)村用地，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)和諧發(fā)展，需對(duì)周?chē)r(nóng)村宅基地面積進(jìn)行重新測(cè)量。

圖3 研究區(qū)范圍

本文采用兩臺(tái)GNSS接收機(jī)南方銀河6、飛馬無(wú)人機(jī)D200、6 臺(tái)D-OP300 航攝儀、6 臺(tái)D-LiDAR200 激光雷達(dá)、南方手持測(cè)距儀、HpT795 繪圖儀、Hp7500掃描儀、Hpm1005打印機(jī)、西數(shù)（2T）存儲(chǔ)設(shè)備、兩臺(tái)聯(lián)想計(jì)算機(jī)、兩臺(tái)戴爾T3600 圖形工作站、CASS9.1地形圖編輯軟件、兩個(gè)無(wú)人機(jī)管家點(diǎn)云處理軟件、兩個(gè)South LiDAR 點(diǎn)云采集軟件、兩個(gè)ArcGIS 數(shù)據(jù)入庫(kù)軟件、3 輛寶來(lái)汽車(chē)等軟硬件搭建應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)，用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理與分析。其中飛馬無(wú)人機(jī)D200的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D200飛馬無(wú)人機(jī)工作參數(shù)

按照搭建的應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)，采集研究區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，借助繪圖儀和CASS9.1 軟件繪制農(nóng)村宅基地激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云圖像（圖4）；然后識(shí)別點(diǎn)云圖像中的農(nóng)村宅基地目標(biāo)，并劃分界址點(diǎn)（圖5）。

圖4 農(nóng)村宅基地激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云圖像

圖5 農(nóng)村宅基地目標(biāo)識(shí)別

參考國(guó)土資發(fā)[2015]103號(hào)《不動(dòng)產(chǎn)登記數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，農(nóng)村宅基地面積測(cè)算的精度要求為限差≤5 m2，中誤差≤3 m2。計(jì)算圖5中界址點(diǎn)內(nèi)4塊宅基地面積，并統(tǒng)計(jì)其限差和中誤差，結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，計(jì)算得到的農(nóng)村宅基地面積的限差和中誤差均在精度要求范圍內(nèi)，說(shuō)明激光雷達(dá)掃描技術(shù)在農(nóng)村宅基地面積測(cè)量中具有很好的應(yīng)用效果，達(dá)到了研究目標(biāo)。

表2 精度計(jì)算結(jié)果/m2

3 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)村宅基地面積測(cè)量工作是一次重大的地籍調(diào)查活動(dòng)，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)和諧、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有非凡意義。本文將激光雷達(dá)掃描技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村宅基地面積測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了批量農(nóng)村宅基地面積測(cè)量，并證明了該技術(shù)的應(yīng)用效果，測(cè)量準(zhǔn)確度較高。然而，在測(cè)量時(shí)還應(yīng)提高工作的嚴(yán)謹(jǐn)性，如在飛機(jī)的空中飛行階段，應(yīng)當(dāng)密切監(jiān)控，隨時(shí)轉(zhuǎn)換應(yīng)急干預(yù)；做好儀器設(shè)備的防盜、防雷擊、防凍、防曬、防水等工作。外業(yè)掃描結(jié)束后，作業(yè)部門(mén)檢查員應(yīng)以外業(yè)實(shí)測(cè)獲得的檢查點(diǎn)或測(cè)區(qū)已有的滿(mǎn)足精度標(biāo)準(zhǔn)的底圖為基準(zhǔn)，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查。